KR20090090828A

KR20090090828A - Ｉｓｓ 중계기

Info

Publication number: KR20090090828A
Application number: KR1020080016317A
Authority: KR
Inventors: 장세주; 김행섭
Original assignee: 장세주
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-02-22
Publication date: 2009-08-26

Abstract

본 발명은 ISS 중계기에 관한 것으로, 특히 업/다운 컨버터 회로를 사용하지 않고 작동 주파수 자체를 처리하여 높은 출력을 얻을 수 있으며, BPF 및 LNA를 직렬로 연결하여 스커트 특성을 날카롭게 하고, BSF 혹은 방향성 필터를 이용하여 리플을 보상할 수 있는 보상 회로가 구비된 ISS 중계기를 제공하기 위한 것이다.

그 기술적 구성은 RF 신호를 안테나를 통하여 방사 또는 안테나에서 수신받도록 송신단 및 수신단이 구비된 두 개의 듀플렉서; 일측에 구비된 상기 듀플렉서의 수신단으로부터 수신된 RF 신호 중에서 저지 대역의 잡음을 억제하고, 삽입 손실을 보완하도록 구비되는 저잡음 증폭기; 상기 저잡음 증폭기에서 출력된 RF 신호 중에서 통과 대역의 주파수를 증폭시키고, 저지 대역의 주파수는 저지시키는 ISS-FM; 상기 ISS-FM 에서 발생된 리플을 보상하는 보상 회로; 상기 보상 회로에서 출력된 RF 신호의 전력을 증폭시켜, 타측에 구비된 상기 듀플렉서에서 RF 신호를 방사하도록 출력하는 전력 증폭기; 를 포함한다.

리플, 삽입 손실, 보상, 필터, 중계기, ISS-FM, LNA, BPF, BSF

Description

ＩＳＳ 중계기{INTERFERENCE SUPPRESS SYSTEM REPEATER}

본 발명은 통신 시스템에서 신호를 증폭 및 조정하는 중계기에 관한 것으로서, 특히 리플 및 삽입 손실을 보완함과 동시에 구성 요소의 단가를 줄일 수 있어 고출력 무선 이동 통신 중계기에 응용가능한 보상 회로가 구비된 ISS - FM 및 이를 이용한 중계기에 관한 것이다.

일반적으로, 중계기(中繼器, Repeater)는 통신 시스템의 중간에서 약해진 신호를 받아 증폭 및 재송신하거나 또는 찌그러진 신호의 파형을 정형하고 타이밍을 조정 또는 재구성하여 송신하는 장치이다.

여기서, 중계기의 출력은 중계기의 이득(Gain)에 의해 결정되고 이 이득의 크기는 원하는 대역 내의 신호(Signal) 크기와 대역 밖의 노이즈(Noise) 크기의 차이에 의해 정해지며, 이를 아이솔레이션(Isolation) 특성이라 한다.

즉, 중계기의 출력을 높이기 위해서는 중계기의 이득(Gain)을 증가시켜야 하는데, 중계기에서의 증폭은 원하는 대역 내의 신호(Signal)만 증폭되는 것이 아니고 원하는 대역 외의 노이즈(Noise)도 같이 증폭하게 되므로, 출력단에서 증폭하기 전의 아이솔레이션 특성이 좋을수록 큰 이득으로 증폭할 수 있어 출력을 높일 수 있게 된다.

그리고, 아이솔레이션 특성은 중계기에 장착된 수동 소자인 안테나와 필터들에 의해 주로 확보되며, 중계기의 출력이 높아지면 출력단의 증폭기(Power Amplifier)에서 원치 않는 발진(Osillation) 문제가 발생할 우려가 있다.

이는 대역 내의 신호(Signal)의 스커트 및 아이솔레이션 특성과 관계가 있는데, 즉 필터를 통해서 정비된 신호의 스커트 및 아이솔레이션 특성이 좋을수록 발진을 억제하면서 고출력의 중계기를 설계할 수 있다.

도 1은 일반적인 중계기를 개략적으로 도시한 블록 구성도이고, 도 2는 DSP가 구비되는 중계기를 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.

도면에서 도시된 바와 같이, 일반적인 중계기는 안테나를 중심으로 양쪽에 2 개의 듀플렉서(110, 120)를 구비한다.

여기서, 각각의 듀플렉서(110, 120)는 송신단(Tx) 및 수신단(Rx)이 구비되며, 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 131)는 듀플렉서(110, 120) 중 하나의 수신단으로부터 수신된 신호 중에서, 잡음을 억제함과 동시에 수신 신호를 증폭한다.

그리고, 저잡음 증폭기(131)로부터 RF 신호를 중간 주파수(IF: Intermediate Frequency)로 다운 컨버트(Down Convert)하여 스커트 특성을 개선한 후, 업 컨버트(Up Convert)하여 본래의 RF 신호로 복구한다.

이때, 저잡음 증폭기(131)로부터 입력된 RF 신호를 국부 발진기(LO, 138)에서 출력된 발진 신호를 믹싱하는 믹서(MIXER, 133)가 구비되며, 그 후단에 발진 신 호를 다운 믹싱하여 중간 주파수를 생성하는 IF AMP(133)가 구비된다.

그리고, IF AMP(133)에서 증폭된 중간 주파수 신호의 스커트 특성을 개선하는 IF SAW 필터(134)를 구비하고, 그 후단에 스커트 특성이 개선된 신호의 중간 주파수를 재생성하는 IF AMP(135)가 더 구비된다.

또한, IF AMP(135)에서 중간 주파수 생성과 함께 증폭을 시킨 신호가 믹서(136)를 거치면서 업 믹싱하여 본래 높이의 RF 신호를 생성하고, 이와 같은 구성에 의해서 일측 듀플렉서(110)의 수신단(Rx)에 입력된 특정 RF 신호는 저잡음 증폭기(LNA, 131) 및 다운 앤 업 컨버터를 경유하여 스커트 특성이 향상되고, 전력 증폭기(P.A: Power Amplifier, 137)를 경유하여 본래의 RF 신호 크기로 복원된다.

그리고 나서, 타측 듀플렉서(120)의 송신단(Tx)에 입력된 후, 안테나(ANT)를 통해 외부로 방사된다.

한편, 듀플렉서(120)의 수신단(Rx)로부터 수신된 RF 신호는 신호 중에 섞인 잡음을 억제하면서 수신 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기(141)를 거치고, 상기 저잡음 증폭기(141)로부터 RF 신호를 중간 주파수(IF)로 다운 컨버트하여 스커트 특성을 개선한다.

또한, 업 컨버트를 이용하여 본래의 RF 신호로 복구하는 다운 앤 업 컨버터(142, 143, 144, 145, 146, 147)를 이용하고, 이를 거친 신호는 고전력 증폭기(P.A: Power Amplifier, 147)를 경유하여 상기 듀플렉서(110)의 송신단(Tx)에 입력된 후, 일측 안테나(ANT)를 통해 외부로 방사된다.

여기서, 도면상으로 하부에 위치한 다운 앤 업 컨버터는 하부에 위치한 다운 앤 컨버터와 마찬가지로 저잡음 증폭기(141)로부터 주파수 신호의 스커트 특성을 일차적으로 개선한다.

즉, 국부 발진기(L.O, 148)에서 발진된 발진 신호를 MIXER(142)로 다운 믹싱하여 중간 주파수를 생성하고, 이 신호를 IF AMP(143)로 증폭시키며, 중간 주파수 신호의 스커트 특성을 개선하는 IF SAW 필터(144)를 이용하여 날카로운 스커트 특성을 가지도록 이루어진다.

그리고 나서, 스커트 특성이 개선된 신호를 재증폭시키기 위한 IF AMP(145)가 구비되고, 국부 발진기(L.0, 148)에서 발진된 발진 신호를 MIXER(146)으로 업 믹싱 하여 스커트 특성이 날카롭고, 동시에 큰 세기를 가질 수 있는 신호를 출력해낸다.

또한, 일반적인 중계기(100)는 송신단 및 수신단을 각각 구비한 2 개의 듀플렉서(110, 120)을 일측 및 타측에 구비하고, 일측 듀플렉서(110)의 수신단(Rx)을 타측 듀플렉서(120)의 송신단(Tx)에 각각 연결하여 구성한다.

그리고, 송신단 및 수신단의 연결 회로는 서로 대칭되도록 이루어지며, 최대 10 내지 20 와트(Watt)의 출력을 얻을 수 있고, 광 케이블(Optic Cable)을 사용한 광 중계기는 광 케이블(Optic Cable)의 특성을 이용하여 아이솔레이션을 충분히 확보할 수 있으므로 중계기 출력을 80 와트(Watt)까지 올릴 수도 있다.

최근에 개발되어 사용중인 ICS(Interference Cancellation System) 중계기는 DSP(Digital Signal Process, 150)와 Feed Forward 방법을 응용하여 기존의 안테나 필터를 사용하고도 기존의 도 1의 IF 변환 중계기의 아이솔레이션 특성보다 대략 -30 dB 정도 증가시킬 수 있으므로, 출력이 20 와트인 ICS 중계기는 완성될 수 있다.

그러나, 광 중계기는 광 케이블을 대여해야 하므로 유지 및 경비가 증가하였으며, ICS 중계기는 업/다운 컨버터와 DSP의 비교적 가격이 높은 부품이 요구되어 제품 단가 및 설비 단가가 증가하였고, 최대 출력이 대략 30 와트로 한계가 있으며, 무선 통신 장비 시장의 경비 절감에 걸림돌로 작용하고 있고, 따라서 지금 이동 통신 장비 시장에서는 생산 원가와 유지비가 저렴한 고 출력 중계기가 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 중계기에서 업/다운 컨버터 회로를 사용하지 않고 작동 주파수 자체를 처리하여 높은 출력의 중계기에 응용될 수 있을 정도의 아이솔레이션, 스커트 및 리플 특성을 얻을 수 있는 ISS 중계기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 BPF 및 LNA를 직렬로 연결하여 스커트 특성과 아이솔레이션 특성을 향상하여, 높은 출력을 얻을 수 있도록 이루어진 ISS 중계기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 BSF 혹은 방향성 필터를 이용하여 ISS-FM에서 발생된 리플을 보상할 수 있는 ISS 중계기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 RF 신호를 안테나를 통하여 방사 또는 안테나에서 수신받도록 송신단 및 수신단이 구비된 두 개의 듀플렉서; 일측에 구비된 상기 듀플렉서의 수신단으로부터 수신된 RF 신호를 증폭하여 삽입 손실을 보상하도록 구비되는 저잡음 증폭기; 상기 저잡음 증폭기에서 출력된 RF 신호 중에서 통과 대역의 주파수를 증폭시키고, 저지 대역의 주파수는 저지시키는 ISS-FM; 상기 ISS-FM 에서 발생된 리플을 보상하는 보상 회로; 상기 보상 회로에서 출력된 RF 신호의 전력을 증폭시켜, 타측에 구비된 상기 듀플렉서에서 RF 신 호를 방사하도록 출력하는 전력 증폭기; 를 포함한다.

바람직하게는, 상기 저잡음 증폭기는 상기 ISS-FM 및 보상 회로의 전단에 구비되고, 상기 ISS-FM과 상기 보상 회로는 직렬로 연결되되, 배치 순서는 변경 가능한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 ISS-FM은 일정 대역의 주파수 신호를 통과 및 저지시키도록 두 개 이상 직렬 연결되고, 동일한 특성을 가지는 다수의 필터; 상기 필터에서 저지 대역에 따라 발생된 삽입 손실을 보상하기 위하여 구비되는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다수의 필터는 유전체 또는 금속 공동(Metal Cavity) 또는 DR-금속 공동 또는 스트립라인 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 다수의 필터는 유전체 또는 금속 공동(Metal Cavity) 또는 유전체 공진-금속 공동 또는 스트립라인의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저잡음 증폭기는 상기 필터에서 발생한 삽입 손실을 보상하도록, 삽입 손실에 따른 이득을 가지고, 상기 필터와 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 저잡음 증폭기는 저지 대역에서 발생된 간섭 잡음을 억제하도록 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보상 회로는 상기 ISS-FM에서 발생한 리플을 보상하도록, 상기 리플이 발생된 주파수 대역에서 상기 리플 크기 만큼의 진폭을 보상하는 필터로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보상 회로는 상기 리플이 발생된 주파수 대역 및 리플의 크기 만큼의 진폭을 보상하는 BSF인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보상 회로는 상기 리플이 발생된 주파수 대역 및 리플의 크기 만큼의 진폭을 보상하는 방향성 필터인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보상 회로의 필터는 상기 ISS-FM 에서 발생된 리플의 크기를 2dB 미만으로 낮추도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 중계기에서 이용할 수 있도록 다수의 BPF를 직렬로 연결하여 날카로운 스커트 특성과 충분히 큰 아이솔레이션을 확보하여 간섭신호를 최대한 억제하고, LNA를 연결하여 신호의 크기를 증폭시킬 수 있고, 리플을 보상하도록 보상 회로를 구비하여, 이에 따라 고가의 부품을 이용하지 않고도 필터 및 증폭기를 이용함으로써, 경쟁력있는 생산비로 유지와 보수가 용이한 고 출력 중계기의 설계가 가능해질 것이다.

본 발명은 다수의 BPF를 직렬로 연결하여 날카로운 스커트 특성 및 신호 분리도인 아이솔레이션 특성을 확보할 수 있음과 동시에, 직렬로 연결된 BPF 사이에 LNA를 삽입함으로써 노이즈를 최소화하면서 신호를 증폭시킬 수 있으며, 다수의 BPF를 직렬로 연결함으로서 손상된 리플을 보상 회로, 예를 들면 BSF 혹은 방향성 필터를 구비하여 보상하며, 스커트, 아이솔레이션, 그리고 리플 특성이 고 출력 중계기에 적합하도록 설계된 필터 모듈을 장착한 이동 통신 장비인 고 출력(High Output Power Level) 중계기를 제시하고자 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 예시도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 적용되는 ISS-FM을 개략적으로 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 간섭 신호가 억제된 필터 모듈(Interference Suppress System Filter Module, 10: 이하, ISS-FM 라 칭함)은 필터 및 증폭기를 포함한다.

본 발명에 따라, 두 개 이상의 필터를 직렬로 연결하는 경우, 두 개 이상의 필터 조합에 따른 스커트 및 아이솔레이션 특성은 한 개의 특성과 비교하였을 때 두 배 이상 향상되나, 필터 조합의 또 다른 중요한 특성인 삽입 손실 및 리플 특성이 두 배 이상 증가하야 손상된다.

따라서, 본 발명에서는 우선 삽입 손실을 보상하고 필터 모듈에서 요구되는 총 이득을 얻기 위해 도 3과 같이 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 11)를 한 개 이상의 필터와 결합시킨다.

여기서, 삽입 손실(Insertion Loss)은 필터의 중요한 특성 중에 하나로서, 신호가 필터를 통과하면서 손해를 보는 전력을 의미하며, 통과 대역에서 S21이 0dB 보다 작으면 입력된 전력이 모두 출력되지 못했다는 의미이며, 이는 즉 손해를 보는 전력이 발생하였다는 것을 의미한다. 즉, 0dB로부터 멀어진 만큼의 값을 삽입 손실이라 한다.

이때, 저잡음 증폭기(11)의 수는 필터 모듈에서 요구되는 이득 특성에 의해 정해지고, 역시 중요한 특성 중에 하나인 잡음 지수(Noise Figure)를 줄이기 위하여 저잡음 증폭기(11)는 필터 모듈의 첫 번째 필터 앞 단에 장착한다.

그리고, 본 실시예에서는 동일한 특성의 필터를 BPF(Band Pass Filter, 11)로 적용하였으며, 동일한 특성의 세 개의 필터(12)가 직렬로 결합되어 있고, 네 개의 저잡음 증폭기(11)가 직렬로 결합되어 있는 필터 모듈(10)을 도시한다.

상술한 필터 모듈(10)은 스커트, 아이솔레이션 및 이득은 충분히 확보되어 100 와트 이상의 고출력 중계기에 사용될 수 있도록 설계가능하며, 이는 신호 대역 밖의 간섭 잡음(Interference Noise Signal)을 충분히 억제할 수 있음을 의미한다.

그 이유는, 원하는 일정 대역을 출력할 수 있도록 필터를 이용하고, 그 필터가 LPF인 경우에는 고주파 대역의 주파수를 출력되지 못하도록 억제하고, 저주파 대역의 주파수는 여과시키기 때문이다.

여기서, 필터(12)의 개수에 따라 리플이 증가하게 되는데, 이에 따라 결합하는 필터(12)의 개수의 배수만큼의 손상이 발생하므로, 이를 충분히 보상(Compensation)하여 필터 모듈(ISS-FM)의 출력 리플 크기가 2dB 미만이 되도록 한다.

본 발명에 따른 필터는 모든 종류의 필터를 이용할 수 있으며, 구현 형태에 따라 집중 소자(Lumped Element), 트랜스미션 라인(Transmission line)인 도파관(Microstrip) 또는 스트립라인(Stripline), 세라믹(Ceramic) 또는 유전체(Dielectric) 또는 도파관(Waveguide), SAW(Surface Acoustic Wave), MEMS, LTCC, FBAR 등이 이용될 수 있다.

여기서, 집중소자는 납 또는 SMD의 L, C 소자를 PCB에 납땜하여 만들 수 있는 소자이며, 수 GHz 이상의 경우 커플링, 공진, 다중 임피던스 연결을 고려하여 구현할 수 있는 도파관 또는 스트립라인이 이용된다.

그리고, 세라믹 또는 유전체는 파장에 따른 공진을 이용하는 구조적 필터로서, 고 유전체의 유전체 세라믹을 이용하여 신호의 전기적 파장을 줄이고, 더욱 작은 필터를 구현할 수 있도록 이루어진다.

또한, 도파관은 공진 현상을 직접적으로 이용하는 경우로서, 금속 블럭을 이용한 Cavity 방식 또는 유전체를 삽입하는 세라믹 방식이 있으며, SAW는 소형, 경량, 박형을 추구하는 이동통신 단말기와 같은 휴대용 장비의 필터에 이용된다.

도 4는 보상 회로가 구비된 ISS-FM을 개략적으로 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ISS-FM(10a, 10b) 사이에 리플 보상 회로(20)가 구비된다.

여기서, 리플(Ripple)은 신호 통과 대역 내에서의 삽입손실의 최대 값과 최소 값의 차이이며, 이 값은 ISS-FM의 출력특성의 S21을 측정하여 얻을 수 있고, 주로 dB로 표시된다.

따라서, 상술한 보상(Compensation)을 실시하기 위해서는, 상기 리플 보상 회로(20)는 상기 리플을 보상하기 위하여, 상기 리플이 존재하는 대역만큼 BSF(Band Stop Filter) 혹은 방향성 필터(Directional Filter)를 이용한다.

다시 말하면, 상기 BSF를 이용함으로써 리플이 존재하는 주파수 대역만큼을 통과시키지 못하도록 이루어져, 리플을 보상하는 것이다.

또는, 보상 회로(20)에 방향성 필터(Directional Filter)를 구비하여 상기 리플이 존재하는 대역만큼을 보상한다.

도 5는 본 발명에 따른 ISS 중계기를 개략적으로 도시한 도이다. 도면에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 ISS 중계기(1)는 안테나를 중심으로 양 측단에 2 개의 듀플렉서(Duplexer, 51, 53)을 구비한다.

여기서, 각각의 듀플렉서(51, 53)에는 송신단(Tx) 및 수신단(Rx)이 구비되며, 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier, 31, 41)는 듀플렉서(51, 53) 중 하나의 수신단으로부터 수신된 신호를 증폭한다.

여기서, 듀플렉서(31)는 안테나를 이용하면서 송신단 및 수신단을 분기하는 역할을 수행하며, 송신단 및 수신단이 서로 다른 주파수를 이용할 때, 서로 다른 안테나를 사용하는 것이 아니기 때문에, 효율적으로 송신단 및 수신단에서 분기를 유지하면서 공유를 위하여 구비된다.

여기서, 저잡음 증폭기(31)는 안테나 및 상기 듀플렉서(51)의 수신단으로부터 수신된 전력이 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 낮은 전력 레벨을 가지고 있으므 로, 작동 잡음을 최소화면서 증폭시킨다.

이를 위하여, 잡음 지수(Noise Figure)가 낮도록 동작점 및 매칭 포인트를 맞추고, 이에 따라 저잡음 특성을 가지는 트랜지스터, 저항 및 열잡음 소자를 최소로 사용하면서 전류 소비량을 최소화시키도록 설계함과 동시에, 컨쥬게이트 매칭(Conjugate Matching)을 통해 최대한의 이득(Gain)을 확보하도록 이루어져, 삽입 손실을 복구시킬 수 있다.

그리고, 스커트 특성 및 아이솔레이션 특성은 저잡음 증폭기(31)에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 이들은 원래의 향상된 특성을 그대로 유지할 수 있다.

이때, 저잡음 증폭기(31)로부터 입력된 RF 신호를 본 발명에 따른 보상 회로(20a)를 구비한 ISS-FM(10a)에서는, 보상 회로(10a), BSF(Band Stop Filter) 혹은 방향성 필터를 이용하여 증가된 리플만큼의 정지 대역을 설정하고, 이를 통하여 증가된 리플을 보상하도록 이루어진다.

그리고 나서, 본 발명에 따른 보상 회로(20a)가 장착된 도 4의 ISS-FM에서 삽입 손실 및 리플 특성이 보완된 신호는 전력 증폭기(P.A: 32)에서 설계된 출력 크기로 증폭되고 듀플렉서와 ANT를 경유하여 방사된다.

여기서, 전력 증폭기(32)는 최종단에서 몇 dBm 의 출력 신호가 만들어질 수 있는지의 여부를 결정하는 소자로서, 최대 전력을 내기 위해서는 트랜지스터를 병렬로 묶어서 전력을 높이는 구조가 이용되는 것이 바람직하다.

이때, 최대 전력은 보통 P1dB (1dB Gain Compression Point)을 통하여 알아내기 때문에, 높은 전력을 내기 위해서는 전력 증폭기(Power Amplifier=P.A.)의 이 득(Gain)을 아주 높이기 어려우므로, 이에 따라 전단에는 이득을 보상해줄 수 있는 구동 증폭기(DA)를 더 구비하는 것도 바람직하다.

그리고 나서, 타측 듀플렉서(53)의 송신단(Tx)에 입력된 후, 안테나(ANT)를 통하여 외부로 방사된다.

한편, 타측 듀플렉서(53)의 수신단(Rx)에서 신호를 받는 경우에는, 수신단(Rx)로부터 수신된 RF 신호 중에 섞인 잡음을 억제하면서 수신 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기(41)를 거치게 된다.

여기서, 저잡음 증폭기(41)는 안테나 및 상기 듀플렉서(53)의 수신단으로부터 수신된 전력이 감쇄 및 잡음의 영향으로 인해 낮은 전력 레벨을 가지고 있으므로, 잡음을 최소화하도록 증폭시킨다.

그리고, 스커트 특성 및 아이솔레이션 특성은 저잡음 증폭기(41)에 의해 영향을 받지 않기 때문에, 이들은 원래의 향상된 특성을 그대로 유지할 수 있다.

이때, 저잡음 증폭기(41)로부터 입력된 RF 신호를 본 발명에 따른 보상 회로(20b)를 내장한 도 4의 ISS-FM로 입력시킨다.

그리고 나서, 본 발명에 따른 보상 회로(20b)가 내장된 도 4의 ISS-FM에서 삽입 손실 및 리플 특성이 보완된 신호는 구동(D.A)과 전력 증폭기(P.A: 42)를 경유하여 설계된 출력으로 증폭된다.

여기서, 전력 증폭기(42)는 최종단에서 몇 dBm 의 출력 신호가 만들어질 수 있는지의 여부를 결정하는 소자로서, 최대 전력을 내기 위해서는 트랜지스터를 병렬로 묶어서 전력을 높이는 구조가 이용되는 것이 바람직하다.

그리고 나서, 일측 듀플렉서(51)의 송신단(Tx)에 입력된 후, 안테나(ANT)를 통하여 외부로 방사된다.

도 6a 및 도 6b는 1 개의 필터 출력 및 2 개의 필터 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, BPF(10)가 직렬로 두 개 연결된 경우의 S21 출력 그래프는 BPF(10)가 1 개 연결된 경우보다 리플이 두 배 증가한 것을 알 수 있다.

여기서, BPF(10)가 1 개 구비된 경우의 S21의 그래프에는 하기와 같은 특성이 나타난다.

Isolation = (D)-(A)=(-50dB)-(-5dB)=-45dB,

Skirt = (D)-(B)/delta F = -40dB /delta F

Ripple = (B)-(A)=-10dB+5dB=-5dB,

Insertion Loss = (A)=-5dB.

그리고, BPF(10)가 2 개 구비된 경우의 S21의 그래프는 하기와 같은 특성이 나타난다.

Isolation = (D) - (A) = -100dB + 10dB = - 90dB

Skirt = (D)- (B) / delta F = -80dB /delta F

Ripple = (B) - (A) = -20 + 10 = - 10dB

Insertion Loss = (A) = - 10dB

상기 수학식 1 및 수학식 2를 비교하여 보면, 아이솔레이션, 스커트, 리플 및 삽입 손실이 BPF(10)의 개수에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있는데, 즉 동일한 특성의 필터를 N 개 직렬로 결합하는 경우 하기와 같은 식이 성립된다.

즉, 동일한 특성의 필터를 N 개 직렬로 결합하는 경우에는 아이솔레이션 및 스커트 특성은 N 배 커져서 향상되나, 동시에 삽입 손실 및 리플 특성을 N 배 나빠진다.

덧붙여서, 저잡음 증폭기는 삽입 손실(Insertion Loss)를 감소시키도록 구비되는데, 도 6b 에서 보면 (A)로 도시된 - 10 dB를 보상하도록 증폭시키며, 중계기 회로에서 안테나를 통해 들어온 작은 입력 신호를 충분히 증폭하여 출력단의 전력 증폭기(P.A)에 공급해주기 위하여, 언제나 필요한 기능이다.

여기서, 삽입 손실 -10dB를 보상해주기 위해서는, 저잡음 증폭기의 이득(Gain)이 +10dB 를 가져야 하며, 이때의 총 손실은 -10 dB + 10 dB = 0dB 가 되고, 이 과정에서 저잡음 증폭기의 이득은 아이솔레이션 및 스커트 특성에는 아무런 영향을 주지 않으므로 향상된 특성을 그대로 유지한다. 왜냐하면 도 6의 (A), (B), (C), 그리고 (D) 모두 +10dB 만큼 증폭돼도 이들의 차이인 아이솔레이션이나 스커트 특성은 증폭 전이나 증폭 후나 같기 때문이다.

도 7은 도 4에 적용된 보상 회로의 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보상 회로(20)를 도 6a 및 6b에서 도시된 바와 같은 리플 특성을 보상(Compensation)하기 위하여 구비한다.

여기서, 본 발명에 따른 보상 회로(20)는 BSF 또는 방향성 필터(Directional Filter)로 이루어져, 리플이 발생된 주파수 대역에서 발생된 리플 만큼의 진폭을 가지는 주파수를 저지 대역으로 제거한다.

그리고, 직렬로 연결된 필터와 BSF 또는 방향성 필터를 직렬로 연결하여 리플을 제거하도록 한다.

도 8은 도 4의 보상 회로가 구비된 ISS-FM의 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 도 6a 및 도 6b에서 도시된 바와 같은 리플 특성을 보상하기 위하여 도 7의 BSF 또는 방향성 필터를 삽입하였고, 이를 ISS-FM(10)에 적용하였다.

즉, 보상 회로(20)를 직렬로 연결하여 리플을 제거하는 경우에는 하기와 같은 수학식 4가 성립된다.

A' = A + a = - 10dB - 10dB = - 20dB

B' = B + b = - 20dB - 0dB = - 20dB

C' = C + c = - 100dB - 0dB = - 100dB

D' = D + d = - 100dB - 0dB = - 100dB

다시 말하면, 도 7과 같은 보상 회로(20)를 리플이 발생된 주파수 대역 및 주파수 진폭에 맞도록 튜닝(Tuning)하면 직렬로 연결된 필터에서 발생된 리플(Ripple)은 모두 제거가능하다.

도 9는 도 4의 보상 회로에 적용되는 스트립라인 BSF를 개략적으로 도시한 도이다. 도 10은 도 4에 따른 보상 회로에 적용되는 도파관(Wave Guide) BSF를 개략적으로 도시한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, BSF(Band Stop Filter)가 스트립라인 및 도파관(Wave Guide)으로 설계되어 있는 것을 볼 수 있다.

여기서, 스트립라인은 두 개의 금속을 이용하여 + 또는 - 의 밸런스 신호를 전송하기 위한 것으로, 구조 자체를 변경하거나 또는 조합함으로써 각종 수동 회로를 구현할 수 있고, 본 발명에서 이용되는 BSF를 스트립라인으로 설계한 것이다.

그리고, 실제로 구현할 경우에는 도파관은 윗면의 회로 패턴만을 신경쓰면 되지만, 스트립라인은 신호 패턴이 GND 판 사이에 있기 때문에 패턴을 따로 만들고 조립해야 하므로, 도파관보다는 스트립라인이 불리하며, 이에 따라 상기 필터의 용도에 따라 다양한 재료가 이용될 수도 있다.

도 11은 도 9 및 도 10에 따른 BSF의 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 보상 회로(20)에 스트립라인 또는 도파관을 이용하여 BSF의 리플 특성을 보상하기 위한 출력을 도시한다.

여기서, 본 발명에 따른 보상 회로(20)에 스트립라인 또는 도파관을 이용하여 BSF는 리플이 발생된 주파수 대역에서 발생된 리플 만큼의 진폭을 가지는 주파수를 저지 대역으로 제거한다.

즉, BSF의 주파수 진폭 및 주파수 대역을 리플이 발생한 대역과 동일하도록 튜닝(Tuning)하면, 이에 따라 리플이 발생된 주파수 대역이 저지 대역(STOP BAND WIDTH)에서 걸려지기 때문에 리플이 보상될 수 있다.

도 12는 도 4의 보상 회로에 적용되는 스트립 라인 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도이고, 도 13는 도 4의 보상 회로에 적용되는 다른 형태의 스트립 라인 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도이며, 도 14는 도 4의 보상 회로에 적용되는 도파관(Wave Guide)과 금속 동공(Metal Cavity)형의 공진기로 구성된 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도이다.

도시된 바와 같이, 방향성 필터(Directional Filter)는 전송 선로가 2 선식인 경우, 송신 주파수 대역과 수신 주파수 대역을 분리 및 결합시키는 필터이다.

즉, 선로 간의 커플링, 선로 상의 공진(Resonate) 및 다중 임피던스의 연결 등의 원리를 이용하여 방향성 필터를 구현하게 되며, 인덕턴스(L) 및 커페시턴스(C)의 관계로 등가 회로 분석이 가능하다.

상기 BSF 와 방향성 필터에 대한 상세한 설명은 참고 문헌『Microwave Filters, Impedance-Matching Networks, And Coupling Structures』, Authors by George L, MATTHAEI, Leo YOUNG, and E.M.T. JONES, Published by ARTECH HOUSE, INC, 1980.의 Chapter 12 에 {1} Band Stop Filter 및 Chapter 14에 {2} Directional Filter 에 기재되어 있으므로, 자세한 서술은 생략한다.

도 15는 도 12 내지 도 14에 따른 BSF인 방향성 필터의 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보상 회로(20)에 방향성 필터를 이용하여 리플 특성을 보상하기 위한 출력을 도시한다.

여기서, 본 발명에 따른 보상 회로(20)에 스트립라인 또는 도파관을 이용하여 BSF는 리플이 발생된 주파수 대역에서 리플만큼의 진폭을 보상한다.

또한, 방향성 필터의 주파수 진폭 및 주파수 대역을 리플이 발생한 대역과 동일하도록 튜닝(Tuning)하면, 이에 따라 리플이 발생된 주파수 대역이 저지 대역(STOP BAND WIDTH)에서 걸려지기 때문에 리플이 보상될 수 있다.

도 16은 도 3의 보상 회로가 적용되기 전의 ISS-FM의 출력을 시뮬레이션한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ISS-FM 에 따른 필터 조합에 따른 출력이 S21에 도시된다.

여기서, 간섭 신호를 억제한 필터 모듈 필터는 900MHz 주파수 대로 25MHz 통과 대역(Pass Band)의 유전체 필터를 이용하고, 저잡음 증폭기는 NF(Noise Figure)가 낮고 이득(Gain)이 10 내지 20dB 정도 되는 가격이 저렴한 소자를 이용했다.

이때, 포트 1 에서 입력된 신호가 다시 포트 1 로 출력되는 반사 손실(S11) 및 포트 1 에서 입력된 신호가 포트 2 로 출력되는 출력 신호(S21)를 도시한다.

도면을 보면, 스커트 특성, 아이솔레이션, 이득 및 반사 손실은 모두 고출력 중계기에 적합한 특성을 보였으나, 중심 주파수 881 MHz에서 진폭을 보면 29.295dB이고, 894 MHz에서의 진폭은 23.739 dB로 약 6 dB 이상의 리플이 발생한 것을 알 수 있고, 리플을 제거할 보상 회로가 요구된다.

도 17은 도 4에 적용된 보상 회로의 출력을 시뮬레이션한 도이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 ISS-FM 에 따른 필터 조합에 따른 출력이 S21에 도시된다.

여기서, 보상 회로의 포트 1에서 입력된 신호가 다시 포트 1로 출력되는 반사 손실(S11) 및 포트 1에서 입력된 신호가 포트 2로 출력되는 출력 신호(S21)를 도시한다.

그리고, 저지 대역(Stop Band)는 중심 주파수 881.50MHz 를 가지며, 저지를 시작하는 주파수는 831.50MHz 에서 저지를 끝내는 주파수를 931.50MHz 로 약 100MHz의 대역폭을 가지도록 설계한다.

도면을 보면, 반사 손실(S11)은 약 1 내지 2 dB 미만으로 적게 나타났고, 리플은 상기 도 16에서 도시된 4 dB의 리플을 제거할 수 있는 진폭을 가지는 것을 알 수 있다.

도 18은 도 4의 보상 회로가 구비된 ISS-FM의 출력을 Network Analyzer로 측정한 결과이다. 도면에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 보상 회로가 적용된 ISS-FM의 S21의 실험 결과이다.

여기서, 보상 회로의 포트 1 에서 입력된 신호가 다시 포트 1 로 출력되는 반사 손실(S11) 및 포트 1 에서 입력된 신호가 포트 2 로 출력되는 출력 신호(S21)를 도시한다.

그리고, 중심 주파수 881.5MHz에서 33.752dB이 출력되고, 894MHz에서 30.621dB가 출력되어 약 3 dB의 리플이 발생되었고, 보상 회로를 통하여 리플이 대략 3dB 정도 보상된 것을 알 수 있다. 리플 특성을 좀더 향상시키기 위해서는 다수의 보상회로를 사용할 수도 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허 청구 범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 일반적인 중계기를 개략적으로 도시한 블록 구성도.

도 2는 DSP가 구비된 중계기를 개략적으로 도시한 블록 구성도.

도 3은 본 발명에 적용되는 ISS-FM을 개략적으로 도시한 도.

도 4는 보상 회로가 구비된 ISS-FM을 개략적으로 도시한 도.

도 5는 본 발명에 따른 ISS 중계기를 개략적으로 도시한 도.

도 6a 및 도 6b는 1 개의 필터 출력 및 2 개의 필터가 직렬로 연결된 경우의 출력을 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 7은 도 4에 적용된 보상 회로의 출력을 개략적으로 도시한 그래프.

도 8은 도 4의 보상 회로가 구비된 ISS-FM의 출력을 개략적으로 도시한 그래프.

도 9는 도 4의 보상 회로에 적용되는 스트립라인 BSF를 개략적으로 도시한 도.

도 10은 도 4에 따른 보상 회로에 적용되는 도파관 BSF를 개략적으로 도시한 도.

도 11은 도 9 및 도 10에 따른 BSF의 출력을 개략적으로 도시한 그래프.

도 12는 도 4의 보상 회로에 적용되는 BSF인 스트립 라인 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도.

도 13는 도 4의 보상 회로에 적용되는 BSF인 일 실시예에 따른 스트립 라인 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도.

도 14는 도 4의 보상 회로에 적용되는 도파관과 금속 공동 공진기로 이루어진 방향성 필터를 개략적으로 도시한 도.

도 15는 도 12 내지 도 14에 따른 BSF인 방향성 필터의 출력을 개략적으로 도시한 그래프.

도 16은 도 3의 보상 회로가 적용되기 전의 ISS-FM의 출력을 Network Analyzer로 관찰한 실험 결과.

도 17은 도 4에 적용된 보상 회로의 출력을 Network analyzer로 측정한 결과.

도 18은 도 4의 보상 회로가 구비된 ISS-FM의 출력을 Network Analyzer로 측정한 실험 결과.

<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>

1: ISS 중계기

10: ISS-FM

11: LNA 12: 필터

20: 보상 회로 32, 42: 전력 증폭기

51, 53: 듀플렉서

Claims

RF 신호를 안테나를 통하여 방사 또는 안테나에서 수신받도록 송신단 및 수신단이 구비된 두 개의 듀플렉서;

일측에 구비된 상기 듀플렉서의 수신단으로부터 수신된 RF 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기;

상기 저잡음 증폭기에서 출력된 RF 신호 중에서 통과 대역의 주파수를 증폭시키고, 저지 대역의 주파수는 저지시키는 ISS-FM;

상기 ISS-FM 에서 발생된 리플을 보상하는 보상 회로;

상기 보상 회로에서 출력된 RF 신호의 전력을 증폭시켜, 타측에 구비된 상기 듀플렉서에서 RF 신호를 방사하도록 출력하는 전력 증폭기;

를 포함하는 ISS 중계기.
청구항 1에 있어서,

상기 ISS-FM은

일정 대역의 주파수 신호를 통과 및 저지시키도록 두 개 이상 직렬 연결되고, 동일한 특성을 가지는 다수의 필터;

상기 다수의 필터에서 저지 대역에 따라 발생된 삽입 손실을 보상하기 위하여 구비되는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 2에 있어서,

상기 다수의 필터는 유전체 또는 금속 공동(Metal Cavity) 또는 DR-금속 공동 또는 스트립라인 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 2에 있어서,

상기 다수의 필터는 유전체 또는 금속 공동(Metal Cavity) 또는 유전체 공진-금속 공동 또는 스트립라인의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 2에 있어서,

상기 저잡음 증폭기는 상기 필터에서 발생한 삽입 손실을 보상하도록, 삽입 손실에 따른 이득을 가지고, 상기 필터와 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 1에 있어서,

상기 보상 회로는 상기 ISS-FM에서 발생한 리플을 보상하도록, 상기 리플이 발생된 주파수 대역에서상기 리플 크기 만큼의 진폭을 보상하는 필터로 이루어진 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 6에 있어서,

상기 보상 회로는 상기 리플이 발생된 주파수 대역 및 리플의 크기 만큼의 진폭을 보상하는 BSF(Band Stop Filter)인 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 7에 있어서,

상기 보상 회로는 상기 리플이 발생된 주파수 대역 및 리플의 크기 만큼의 진폭을 보상하는 방향성 필터(Directional Filter)인 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 8에 있어서,

상기 보상 회로의 필터는 상기 ISS-FM 에서 발생된 리플을 2dB 미만으로 보상하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 1에 있어서,

상기 저잡음 증폭기는 상기 ISS-FM 및 보상 회로의 전단에 구비되는 것을 특징으로 하는 ISS 중계기.
청구항 10에 있어서,

상기 ISS-FM과 상기 보상 회로는 직렬로 연결되며, 배치 순서는 변경 가능한 것을 특징으로 하는 보상 회로가 구비된 ISS 중계기.